Автореферат (Разработка оптико-электронного комплекса диагностики процесса испарения жидкости)

На правах рукописиШашкова Инна АлександровнаРАЗРАБОТКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСАДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре Физики им.В.А.ФабрикантаНаучный руководительСкорнякова Надежда Михайловна кандидаттехнических наук, доцент, доцент кафедрыФизики им.

В.А. Фабриканта «НИУ «МЭИ».Официальные оппоненты:Ведущая организация:Мошаров Владимир Евгеньевич,доктор технических наук, старший научныйсотрудник, заместитель начальника отделенияФГУП "Центральный аэрогидродинамическийинститут имени профессора Н.Е. Жуковского",г. Жуковский Московской области.Мурсенкова Ирина Владимировна,кандидат физико-математических наук, доцент,каф. Молекулярной физики ФГБОУ ВО«Московский государственный университетимени М.В.

Ломоносова», г. Москва, доцент.Федеральноегосударственноебюджетноеучреждение науки Объединенный институтвысоких температур Российской академии наук(ОИВТ РАН), г. Москва.Защита состоится «18» июня 2015 г. в 14 часов 00 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу:111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корпус «Е», аудитория Е-513,тел.: (495)362-7504.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения,просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.

14,Ученый совет «НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Национальногоисследовательского университета «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан «_____» апреля 2015 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12,к.т.н.Ремизевич Т.В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Интерес к изучению процессов течения и испаренияжидкостей, обусловлен широким распространением этих явлений в природе итехнике. Наряду с исследованиями крупномасштабных потоков в аэро- игидродинамике существует ряд задач, связанных с изучением микропотоков,пленокикапельжидкости.Задачаобиспарениикаплижидкостисгоризонтальной подложки находит множество приложений в различных областях,например, в медицинской диагностике, в «лаборатории на чипе», а также впроизводстве структурированных материалов и поверхностей.

Пленки жидкостиприсутствуют в рабочих циклах многих технических устройств, например,образуются в камерах сгорания, топочных камерах. Пленочное течение жидкостиприменяется для обеспечения охлаждения элементов в микороэлектронике.Режим течения пленки жидкости по нагретой поверхности играет важную роль взадаче оптимизации энергетических затрат летательных аппаратов.Приведенные выше процессы характеризуются наличием тонкой пленкижидкости, участвующей в течении, или испаряющейся из капли. Математическоемоделирование в данном случае представляет сложную задачу, так какмоделируемыеизменяющихсяпроцессысодержатпараметров.значительноеПоэтомуколичествоактуальныхаотическиэкспериментальныеисследования.Существуют различные методы, основанные на измерении температуры,давления, скорости и других параметров движущихся сред.

Однако большинствоиз них вносят искажения в поток. Оптические методы позволяют устранитьмеханические возмущения исследуемой среды, обеспечивают дистанционность имногофункциональность. Особое место здесь занимают методы, позволяющиеполучать информацию об исследуемом объекте в некоторой области пространствав один момент времени. К ним относят теневой фоновый метод (ТФМ) ианемометрию по изображениям частиц (АИЧ), сочетающие простоту реализации,применение современных компьютерных технологий для регистрации и анализаэкспериментальных данных.

Несмотря на то что результаты измерений в этих4методах чувствительны к нормировке, широкие возможности для визуализации иполучения количественных характеристик исследуемого объекта привели краспространению ТФМ и АИЧ в области исследования крупномасштабныхпотоков. В то же время актуальна задача адаптации указанных методов кмикромасштабным течениям.В настоящей работе представлено применение ТФМ и АИЧ в разработанномоптико-электронном комплексе для исследования процессов течения и испаренияжидкостей микролитрового объема.Цель работы. Разработка методики совместного применения ТФМ и АИЧ воптико-электронном комплексе диагностики процесса испарения жидкости.Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:• разработать структуру оптико-электронного комплекса по реализации ТФМ иАИЧ для исследования гидродинамических процессов в микромасштабе;• разработать методику лабораторного тестирования оптико-электронногокомплекса для диагностики микропроцессов испарения жидкости;• исследовать границы применимости разработанного комплекса и оценитьпогрешность измерений.Научная новизна работы.1.

В ходе экспериментальных исследований были получены зависимостипогрешности смещений элементов экспериментальных картин для теневогофонового метода и метода анемометрии по изображениям частиц для различныхуглов наблюдения в оптической системе и величин смещения.2. Наосноветеневогофоновогометодаразработанаметодикаэкспериментального исследования профиля поверхности пленочного течения икапли жидкости микролитрового объема, а также индикации паров надповерхностью жидкости.3.

На основе метода анемометрии по изображениям частиц для макропотоковразработана методика экспериментального исследования вихревых течений виспаряющейся капле жидкости, пленочном течении жидкости по гладкойнагретой подложке в микромасштабе.54. Разработана методика диагностики гидродинамических процессов виспаряющихся жидкостях микролитрового объема, позволяющая проводитьисследование одного и того же объекта с применением теневого фонового методаи метода анемометрии по изображениям частиц для получения информации обольшем количестве параметров исследуемого объекта.Практическая ценность работы.

Разработанный оптико-электронныйкомплекс может применяться для исследования процессов испарения оптическипрозрачныхжидкостеймикролитровогообъема:восстановленияпрофиляповерхности пленочного течения, испаряющейся капли; визуализации паровиспаряющейсяжидкости;визуализациииопределениякинематическиххарактеристик структур, образующихся при испарении течения или каплижидкости, а также при перемешивании различных жидкостей.Исследования проводились в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогическиекадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы, по международному проектуЕвросоюза (7-ая рамочная программа), проекту АВЦП «Развитие научногопотенциала высшей школы» и по грантам РФФИ.Личный вклад. Автором разработаны методики исследования процессаиспарения капли микролитрового объема и пленочного течения оптическипрозрачной жидкости толщиной до 1 мм на основе теневого фонового метода ианемометриипоизображениямчастиц.Созданаиапробированаэкспериментальная установка оптико-электронного комплекса диагностикипроцессаиспаренияжидкости.Созданаметодикацифровойобработкиэкспериментальных картин ТФМ и АИЧ.Основные положения, выносимые на защиту.• Для теневого фонового метода и анемометрии по изображениям частицмаксимальная погрешность определения смещения элементов экспериментальныхкартин при минимальном угле наблюдения 20° составляет не более 10% в диапазонесмещений 100÷300 мкм и не более 5% для смещений более 300 мкм; приоптимальном угле 90° не более 2 % для смещений более 100 мкм.• С помощью разработанных оптико-электронного комплекса и алгоритмов6обработки становится возможной визуализация процессов в оптически прозрачныхжидкостях в микромасштабе: перемешивания, испарения в пленочном течении жидкостипо гладкой нагретой подложке и распространения паров над поверхностью жидкости.• Разработанная методика экспериментального исследования на основе АИЧпозволяет визуализировать процесс испарения для капли оптически прозрачнойжидкости объемом от 5 мкл до 70 мкл по серии двухмерных изображений ивосстанавливать временные зависимости скорости течения жидкости внутри капли.• Разработанная методика экспериментального исследования на основе ТФМ,позволяет для капли объемом от 1 мкл до 550 мкл по серии ее двухмерныхизображений восстанавливать временные зависимости формы поверхности капли,площади контактного пятна, площади поверхности и объема жидкости в капле.Достоверность полученных результатов• Для реализации оптико-электронного комплекса диагностики процессаиспарения жидкости применялось современное научное оборудование.• При обработке экспериментальных данных применялась промышленнаяпрограмма цифровой обработки изображений кросскорреляционными методами.• Результаты экспериментальных исследований согласуются с результатамичисленного моделирования и подобных экспериментальных исследований,представленными в литературе.Внедрение результатов диссертационной работы.Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по ФЦП«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013годы (госконтракт № 02.740.11.0449 от 30.09.2009), международному проектуЕвросоюза (7-ая рамочная программа), проекту АВЦП «Развитие научногопотенциала высшей школы» (проект 2.2.2.2/10404) и по грантам РФФИ, чтоподтверждено актом о внедрении.Апробация работы.

Основные материалы работы докладывались на 8конференциях: XVII и XVIII Международных научно-технических конференцияхстудентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (Москва,2011 и 2012); XIX Международной конференции «Лазерно-информационные7технологии в медицине, биологии и геоэкологии» (Новороссийск, 2011 г.); Научныхсессиях НИЯУ МИФИ – 2012-13; Научно-технических конференциях-семинарах пофотонике и информационной оптике (Москва, 2012, 2013 гг.); XI, XIII Международныхнаучно-технических конференциях «Оптические методы исследования потоков»(Москва, 2011, 2013 гг.); Международной научно-практической конференции«Актуальные вопросы развития науки» (Уфа, 2014 г.).Публикации.